基于PCC的水電站計算機監控系統設計
加入技術(shù)交流群
1 系統監控方式與組成結構
以計算機為基礎的監控方式CBSC(Computer-Based Supervisory Control)是目前國內外水電廠(chǎng)普遍采用的計算機監控方式。CBSC模式的主要特點(diǎn)是電廠(chǎng)的主要監控功能全部由計算機實(shí)現，大大簡(jiǎn)化常規控制裝置，僅留一部分現地操作設備以備特殊情況，但由于位于監控系統較底層的現地控制單元LCU(Local Control Unit)一般都以PLC作為其控制核心，在數據處理、通信上功能不夠強大，用戶(hù)如要擴展或升級系統就需要相當大的投入，而PCC則依靠其豐富靈活的通信模塊成功解決了這一問(wèn)題，使CBSC監控方式更加靈活有效。
結合廣西宜州拉浪水電站的實(shí)際情況，本系統基于BR 2005系列中型PCC并以CBSC方式設計監控系統。該系統控制核心PCC由一系列獨立封裝的盒式模塊組成，基本模塊包括電源模塊和CPU模塊，擴展模塊包括I/O模塊、通信模塊等。
在該系統中，調速器、電量?jì)x及溫度巡檢儀等智能設備能夠穩定地同PCC通信并將數據送入PCC，而PCC則通過(guò)以太網(wǎng)(基于TCP/IP協(xié)議)同上位機監控終端通信，同時(shí)也將數據送至位于LCU上的人機界面顯示。這種模式彌補了設備分散帶來(lái)的不足，使運行人員可以在上位機或人機界面上監控機組運行狀態(tài)，實(shí)現真正的集散式監控系統。該系統結構如圖1所示。
圖1 系統結構
2 現地控制單元程序設計
2.1 控制程序設計
2.1.1 任務(wù)層設計
PCC的操作系統是一個(gè)分時(shí)多任務(wù)操作系統，該系統可使控制系統得以?xún)?yōu)化，擁有更好的穩定性和實(shí)時(shí)性。在控制程序中，各個(gè)任務(wù)程序模塊依據其自身的重要性、實(shí)時(shí)性要求，分別位于優(yōu)先級不同的任務(wù)層下，完成不同的功能。例如，事故故障處理直接影響水輪機組的安全運行，因此，該模塊被置于任務(wù)層Cyclic #1中;而對實(shí)時(shí)性要求相對不高的模塊如通信程序模塊，則被置于任務(wù)層Cyclic # 4中。
圖2 為控制程序各個(gè)任務(wù)程序模塊的任務(wù)層分布(括號內時(shí)間分別表示不同任務(wù)層的循環(huán)時(shí)間)
2.1.2 模擬量處理程序設計
機組模擬量如壓力、溫度等對整個(gè)水輪機組的正常運行起著(zhù)至關(guān)重要的作用，因此需要對模擬量進(jìn)行濾波以保證數據的準確性。以PLC為核心的控制系統對模擬量值的濾波一般是通過(guò)將模/數轉換器得到的數值進(jìn)行平均N次得以實(shí)現，存在著(zhù)可靠性差等缺點(diǎn)。該程序則基于最小二乘法對模擬量數據進(jìn)行擬合處理，并可根據傳感器特性的變化調整參數，提高了數據的可靠性。最小二乘法即：選擇適當的a，b，使式(1)中的ε最小。
因為ε是a，b的函數，用求極值的方法可知應滿(mǎn)足：
解出a，b：
則：
式中Yi為第i個(gè)模擬量通道的數據處理結果;Xi為從傳感器讀取的第i個(gè)模擬量通道的初始值;ai，bi為對應該通道的參數;n為平均次數，程序中一般取20次。
模擬量處理模塊部分程序如下：
LCU與外部設備如電量?jì)x等的通信基于幀驅動(dòng)器。幀驅動(dòng)器是一種介于應用程序和硬件接口之間的軟件工具箱，它使幀以字節流的形式進(jìn)行發(fā)送與接收，無(wú)需驅動(dòng)器對這些幀進(jìn)行操作。
a.初始化。通信開(kāi)始時(shí)，通過(guò)幀命令FRM_xopen(enbale，device，mode)初始化端口，其參數定義了接口設備、接口參數以及數據傳輸狀態(tài)等。
b.數據發(fā)送與接收。函數FRM_xopen( )初始化完成后返回緩沖區的地址及其長(cháng)度，然后調用memcpy( )將數據寫(xiě)入緩沖區，并將數據發(fā)送出去。
數據接收的過(guò)程與發(fā)送基本相反，幀驅動(dòng)器首先調用FRM_read( )讀取1幀數據并把它放在緩沖區中，然后由memcpy( )讀出該緩沖區的內容。
通信模塊部分程序如下：
3 上位機監控實(shí)現
3.1 OPC服務(wù)器
上位機監控功能是借助OPC(OLE for ProcessControl)服務(wù)器為橋梁實(shí)現上位機組態(tài)軟件對機組數據信息的共享的。OPC是一個(gè)工業(yè)標準，它為不同廠(chǎng)商的硬件設備、軟件和系統定義了公共的接口，使過(guò)程控制和工廠(chǎng)自動(dòng)化中的不同系統、設備和軟件之間能夠互相連接、通信、操作。監控系統采用OPC協(xié)議與其他現場(chǎng)設備通信的優(yōu)點(diǎn)在于：不管硬件設備是否使用標準的通信協(xié)議，制造商只需要提供1套OPC服務(wù)器，就可以支持大部分的監控等軟件，也不需要將自己的通信協(xié)議細節提供給軟件商。
OPC服務(wù)器軟件主要分為OPC服務(wù)器對象模塊、服務(wù)器界面模塊和OPC驅動(dòng)程序模塊，3個(gè)模塊通過(guò)同一塊主內存數據區共享數據，通過(guò)線(xiàn)程的同步和互斥等技術(shù)的使用，可解決共享數據的保護問(wèn)題。
在該系統中，上位監控計算機啟動(dòng)后，系統自動(dòng)加載一個(gè)被BR稱(chēng)之為“PVI”的系統模塊，同時(shí)PVI啟動(dòng)同封裝在PCC操作系統中的OPC服務(wù)器的通信(在本系統中基于TCP/IP協(xié)議)。PVI的核心部分為“PVI manager”，在“PVI manager”中用戶(hù)可根據需要選擇性定義從OPC服務(wù)器傳輸的數據。BRPVI的基本構成(見(jiàn)BR2005 User’s Manual，2004)如圖3所示。
圖3 PVI 基本構成
3.2 組態(tài)程序設計
該系統的組態(tài)程序采用北京亞控“組態(tài)王6.03”設計?！敖M態(tài)王6.03”有比較完善的報警和事件系統、報表系統及支持Windows標準的Active X控件，同時(shí)全面支持OPC標準，可以通過(guò)PVI很方便地實(shí)現同PCC OPC Server的數據共享，完成諸如開(kāi)關(guān)量監視記錄和事件順序記錄、事故追憶和故障錄波、自動(dòng)發(fā)電控制(AGC) 、自動(dòng)電壓控制(AVC)等監控功能。
4 結語(yǔ)
本文結合發(fā)展迅速的PCC技術(shù)，介紹了一種新型高效的水電站計算機監控系統。該系統基于BR2005系列PCC，在以最小二乘法對機組模擬量進(jìn)行濾波的基礎上，實(shí)現了機組的各種控制與保護功能，并基于幀驅動(dòng)器以及OPC Server實(shí)現了PCC控制系統同外部智能設備及上位機的通信，組成了一個(gè)較先進(jìn)的適用于中小型水電站的開(kāi)放式監控系統。
評論